(57)【要約】【課題】  抵抗率の小さいオーミック電極を備えた窒化物半導体装置を提供する。【解決手段】  基板上に、窒化ガリウム層と、窒化アルミニウム層と、III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層と、微結晶構造のIII−Ｖ族窒化物半導体層からなり、かつアルミニウムを含まない第２の窒化物半導体層が積層している。成膜状態の第２の窒化物半導体層にオーミック接触する電極とを備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうち少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置において、基板上に積層した窒化ガリウム層と、窒化アルミニウム層と、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層と、該第１の窒化物半導体層より成膜温度が低い前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、かつアルミニウムを含まない第２の窒化物半導体層と、該第２の窒化物半導体層にオーミック接触する電極とを備え、該電極は、前記成膜状態の前記第２の窒化物半導体層上に配置していることを特徴とする窒化物半導体装置。  
【請求項２】
ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうち少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置において、基板上に積層した窒化ガリウム層と、窒化アルミニウム層と、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層と、微結晶構造の前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、かつアルミニウムを含まない第２の窒化物半導体層と、該第２の窒化物半導体層にオーミック接触する電極とを備え、該電極は、前記成膜状態の微結晶構造からなる前記第２の窒化物半導体層上に配置していることを特徴とする窒化物半導体装置。    
【請求項３】
請求項１又は２いずれか記載の窒化物半導体装置において、前記第１の窒化物半導体層が、アルミニウムを含む前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなることを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれか記載の窒化物半導体装置において、前記第２の窒化物半導体層にショットキ接触する制御電極を備えていることを特徴とする窒化物半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、能動層に窒化物半導体を用いた窒化物半導体装置に関し、特に高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）や電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）のような、半導体装置にオーミック接触するオーミック電極を有する窒化物半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３は、従来のIII−Ｖ族窒化物半導体からなる半導体装置の断面図を示している。図３に示す半導体装置は、いわゆるＨＥＭＴ構造を示しており、サファイアからなる基板３０１上に、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるバッファ層３０２、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層３０３、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるスペーサ層３０４、ｎ型窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ0.26Ｇａ0.73Ｎ）からなるキャリア供給層３０５、ノンドープの窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ0.26Ｇａ0.73Ｎ）からなるショットキ層３０６が順次積層した構造となっており、チャネル層３０３とキャリア供給層３０５とからなるヘテロ接合界面近傍に、ポテンシャル井戸からなる電子移動度が極めて大きい２次元電子ガスが形成され、ショットキ層３０５にショットキ接合するゲート電極３０８（制御電極）に印加する電圧を制御することにより、ソース電極３０７ａとドレイン電極３０７ｂとの間を流れるキャリア（２次元電子ガス）を制御している。このような半導体装置では、ソース電極３０７ａ及びドレイン電極３０７ｂは、ノンドープの窒化アルミニウムガリウムからなるショットキ層３０６上に形成されている。
【０００３】
ここで、窒化アルミニウムからなるスペーサ層３０４は、キャリア供給層３０５との界面（ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面）に生じる合金散乱を抑制し、電子移動度を向上させるために挿入されている（非特許文献１）。
【０００４】
この種の半導体装置は、上記構造の他、例えば特許文献１に開示されているような様々な構造が提案されている。
【非特許文献１】Jinwook Burmら著、「Recessed gate GaN MODFETs」、Solid State Electronics、１９９７年、Vol４１、Issue２、ｐ２４７−２５０
【特許文献１】特開平１０−３３５６３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の窒化物半導体装置では、オーミック接触する電極は、ノンドープの窒化アルミニウムガリウム上（ショットキ層３０６上）に形成されるのが一般的であり、そのコンタクト抵抗率は、１×１０-5Ω・ｃｍ2程度であった。一方、ＧａＡｓ系の半導体装置では、オーミック電極のコンタクト抵抗率は、１０-6Ω・ｃｍ2台が一般的であり、窒化物半導体装置のコンタクト抵抗の方が、１桁程度特性が悪くなっている。窒化物半導体装置を用いた高周波用、高出力用デバイスの高性能化を図るためには、コンタクト抵抗率（コンタクト抵抗）の特性改善が求められている。
【０００６】
特に、スペーサ層３０４を構成する窒化アルミニウムは、チャネル層３０３を構成する窒化ガリウムとのコンダクションバンドオフセットが大きくなるので、良好なオーミック接触抵抗を得ることが困難であった。
【０００７】
本発明は、上記問題を解決し、抵抗率の小さいオーミック電極を備えた窒化物半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため本願請求項１に係る発明は、ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうち少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置において、基板上に積層した窒化ガリウム層と、窒化アルミニウム層と、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層と、該第１の窒化物半導体層より成膜温度が低い前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、かつアルミニウムを含まない第２の窒化物半導体層と、該第２の窒化物半導体層にオーミック接触する電極とを備え、該電極は、前記成膜状態の前記第２の窒化物半導体層上に配置していることを特徴とするものである。
【０００９】
本願請求項２に係る発明は、ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうち少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置において、基板上に積層した窒化ガリウム層と、窒化アルミニウム層と、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層と、微結晶構造の前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、かつアルミニウムを含まない第２の窒化物半導体層と、該第２の窒化物半導体層にオーミック接触する電極とを備え、該電極は、前記成膜状態の微結晶構造からなる前記第２の窒化物半導体層上に配置していることを特徴とするものである。
【００１０】
本願請求項３に係る発明は、請求項１又は２いずれか記載の窒化物半導体装置において、前記第１の窒化物半導体層が、アルミニウムを含む前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなることを特徴とするものである。
【００１１】
本願請求項４に係る発明は、請求項１乃至３いずれか記載の窒化物半導体装置において、前記第２の窒化物半導体層にショットキ接触する制御電極を備えていることを特徴とするものである。  
【発明の効果】
【００１２】
本発明の窒化物半導体装置は、オーミック電極が、成長温度が低い微結晶構造の成膜状態の第２の窒化物半導体層に接触する構造としているため、窒化物半導体の微結晶粒界にオーミック電極を構成する金属が侵入し、コンタクト抵抗率の低いオーミック電極を備えた半導体装置を得ることができる。具体的には、１０-6Ω・ｃｍ2台のコンタクト抵抗率のオーミック電極を形成することができる。
【００１３】
特に本発明では、オーミック電極を構成する金属は、第２の窒化物半導体層およびスペーサ層を越えて窒化物半導体層中に侵入するため、窒化アルミニウムをスペーサ層として備える窒化物半導体装置において、チャネル層に直接オーミック接触を形成することができ、コンタクト抵抗率の低減の効果が大きい。
【００１４】
またその微結晶構造の窒化物半導体層は、通常の半導体装置の製造工程によるエピタキシャル成長温度を制御するのみで、所望の窒化物半導体装置を形成することができるため、製造工程の制御性が良く、特性の優れた窒化物半導体装置を歩留まり良く製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の窒化物半導体装置について、詳細に説明する。  
【実施例１】
【００１６】
まず本発明の窒化物半導体装置について、III−Ｖ族窒化物半導体装置であるＨＥＭＴを例にとり、製造工程に従い詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施例であるIII−Ｖ族窒化物半導体装置であるＨＥＭＴの製造工程の説明図である。
【００１７】
まず、サファイアからなる基板１０１上にＭＯＣＶＤ（有機金属化学的気相堆積）法あるいはＭＢＥ（電子ビームエピタキシャル）法等により、厚さ１μｍ程度の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１０２を成長させ、次に厚さ２μｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層１０３、厚さ１ｎｍのノンドープ窒化アルミニウムからなるスペーサ層１０４、チャネル層１０３との界面にキャリアとなる２次元電子ガス層を形成する厚さ１５ｎｍのｎ型窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ｎ）からなるキャリア供給層１０５とを、基板温度１０５０℃で順次積層成長させる。その後、基板温度を５５０℃として厚さ１０ｎｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるショットキ層１０６を成長させる。このように基板温度を低くして成長させることにより、ショットキ層１０６は、微結晶構造となる（図１ａ）。
【００１８】
次に、成膜状態のショットキ層１０６に、直接、通常のリソグラフ法及びリフトオフ法により、オーミック電極を形成する積層体を堆積させる。具体的には、厚さ１０ｎｍのチタン（Ｔｉ）膜、厚さ２００ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）膜、厚さ５０ｎｍのチタン（Ｔｉ）膜、厚さ３００ｎｍの金（Ａｕ）膜を堆積、パターニングし、窒素雰囲気、８００℃、３０秒間の熱処理を行い、ショットキ層１０６上にオーミック接触するソース電極１０７ａ及びドレイン電極１０７ｂを形成する（図１ｂ）。ここで本発明では、オーミック接触を形成する前に、ショットキ層１０６表面に特別な加工を施すことはない。すなわち、ショットキ層１０６表面は、半導体製造工程に通常行われる表面の清浄工程を除き、不純物イオンを注入したり、表面をエッチングしたりすることはなく、成膜状態のままの微結晶構造のショットキ層１０６に直接オーミック電極を形成している。
【００１９】
次に、通常のリソグラフ法及びリフトオフ法により、ショットキ層１０６上に、厚さ２０ｎｍのニッケル（Ｎｉ）膜、厚さ５００ｎｍの金（Ａｕ）膜を堆積、パターニングすることにより、ショットキ層１０６との間にショットキ接触するゲート電極１０８を形成する（図１ｃ）。以下、通常の半導体装置の製造工程に従い、ＨＥＭＴを完成させる。
【００２０】
以上のように形成した窒化物半導体装置について、ＥＤＳ（Energy-Dispersive x-ray Spectroscopy）により、オーミック電極金属の拡散分布評価を行った。その結果を図２に示す。図２に示すように、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）が７０ｎｍ程度の深さ（図中マイナス側）に拡散し、チャネル層１０３に到達していることがわかる。また、ＴＥＭ（Transmission Electron Microscopy）により、断面状態を観察した結果、ほぼ同程度の深さまでオーミック電極金属の拡散（合金層）を確認することができた。
【００２１】
また  上記のように形成した窒化物半導体装置のオーミック電極をＴＬＭ法により評価した結果、コンタクト抵抗は０．０５Ω・ｃｍ、コンタクト抵抗率は３．７×１０-6Ω・ｃｍ2となり、それぞれ良好な特性であることが確認された。特に、キャリア供給層１０５、ショットキ層１０６のＡｌ組成が０．３５である本実施例においてこのように低い接触抵抗のオーミック電極を形成することができ、本発明の効果が大きいことが確認できる。
【００２２】
このように本発明によれば、微結晶構造の窒化物半導体層（第２の窒化物半導体層）にオーミック電極を形成することで、窒化物半導体からなり、しかもバンドオフセットのある半導体装置であるにもかかわらず、バンドオフセットのないＧａＡｓ系の半導体装置と同等の特性を備えたオーミック電極を形成することができることが確認された。
【００２３】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく種々変更可能である。例えば、キャリア供給層１０５、ショットキ層１０６のＡｌ組成は０．３５に限られるものではなく、適宜設定することができる。たとえばＡｌ組成が０．２６の場合、上記構造の窒化物半導体装置のオーミック電極を同様の方法で評価した結果、コンタクト抵抗は０．０４、コンタクト抵抗率は２．６×１０-6Ω・ｃｍ2となり、従来より低い接触抵抗のオーミック電極を形成することができた。
【００２４】
また第１および第２の窒化物半導体層は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ系に限定されるものではなく、ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうち少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層とすることが可能である。
【００２５】
また第２の窒化物半導体層とオーミック接触する電極の組成は、使用する半導体層の種類に応じて適宜選択すれば良い。また選択された金属の種類に応じて、第２の窒化物半導体層の厚さが、適宜選択される。
【００２６】
なお、第２の窒化物半導体層について微結晶構造と説明したが、これは微結晶粒の集合体あるいはそれらの再配列化した構造であり、成長温度、成長時の雰囲気ガス組成、成長させる基板の種類などによって、結晶粒の大きさや配列等は変わるものであり、所望の特性が得られる範囲で、成長温度を制御することによって得られるものである。  
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施例の窒化物半導体装置の製造工程の説明図である。
【図２】本発明の実施例の窒化物半導体装置のオーミック電極金属の拡散分布評価結果を説明する図である。
【図３】従来のこの種の窒化物半導体装置の説明図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０１：基板、１０２：バッファ層、１０３：チャネル層、１０４：キャリア供給層、
１０５：スペーサ層、１０６：ショットキ層、１０７ａ：ソース電極、
１０７ｂ：ドレイン電極、１０８：ゲート電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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